Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC Bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Cấu trúc chung PLC thiết bị điều khiển logic khả trình (Program Logic Control), loại thiết bị cho phép thực linh hoạt thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể thuật toán mạch số Cũng thiết bị lập trình khác, hệ thống lập trình PLC bao gồm phần: khối xử lý trung tâm (CPU) hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O) sơ đồ khối: Khối xử lý trung tâm: Là vi xử lý điều khiển tất hoạt động PLC như: Thực chương trình, xử lý vào/ra truyền thông với thiết bị bên 1/9 Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC Bộ nhớ Có nhiều nhớ khác dùng để chứa chương trình hệ thống phần mềm điều khiển hoạt động hệ thống, sơ đồ LAD, trị số Timer, Counter chứa vùng nhớ ứng dụng, tùy theo yêu cầu người dùng chọn nhớ khác nhau: Bộ nhớ ROM: loại nhớ không thay đổi được, nhớ nạp lần nên sử dụng phổ biến loại nhớ khác Bộ nhớ RAM: loại nhớ thay đổi dùng để chứa chương trình ứng dụng liệu, dử liệu chứa Ram bị mất điện Tuy nhiên, điều khắc phục cách dùng Pin Bộ nhớ EPROM: Giống ROM, nguồn nuôi cho EPROM không cần dùng Pin, nhiên nội dung chứa xoá cách chiếu tia cực tím vào cửa sổ nhỏ EPROM sau nạp lại nội dung máy nạp Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm RAM EPROM, loại xóa nạp tín hiệu điện Tuy nhiên số lần nạp có giới hạn Một PLC có đầy đủ chức như: đếm, định thời, ghi (registers) tập lệnh cho phép thực yêu cầu điều khiển phức tạp khác Hoạt động PLC hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình nằm nhớ, cập nhật tín hiệu ngõ vào, xử lý tín hiệu để điều khiển ngõ Để đánh giá PLC người ta dựa vào tiêu chuẩn chính: Dung lượng nhớ số tiếp điểm vào/ra Bên cạnh cần ý đến chức như: Bộ vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngôn ngữ lập trình, khả mở rộng số cổng vào/ra Bên cạnh đó, PLC hoàn chỉnh kèm thêm đơn vị lập trình tay hay máy tính Hầu hết đơn vị lập trình đơn giản có đủ RAM để chứa đựng chương trình dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình đơn vị xách tay, RAM thường loại CMOS có pin dự phòng, chương trình kiểm tra sẵn sàng sử dụng truyền sang nhớ PLC Đối với PLC lớn thường lập trình máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458,… Trong hệ thống điều khiển PLC phần tử nhập tín hiệu như: chuyển mạch, nút ấn, cảm biến, nối với đầu vào thiết bị PLC Các phần tử chấp hành như: đèn báo, rơ le, công tắc tơ, nối đến lối PLC đầu nối 2/9 Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC Chương trình điều khiển PLC soạn thảo dạng (sẽ trình bày phần sau) nạp vào nhớ bên PLC, sau tự động thực theo chuỗi lệnh điều khiển xác định trước Hệ cho phép công nhân vận hành thao tác tay tiếp điểm, nút dừng khẩn cấp để đảm bảo tính an toàn trường hợp xảy cố PLC xem trái tim hệ thống điều khiển tự động đơn lẻ với chương trình điều khiển chứa nhớ PLC, PLC thường xuyên kiểm tra trạng thái hệ thống thông qua tín hiệu hồi tiếp từ thiết bị vào để từ đưa tín hiệu điều khiển tương ứng đến thiết bị PLC sử dụng cho yêu cầu điều khiển đơn giản lập lập lại theo chu kỳ, liên kết với máy tính chủ khác máy tính chủ thông qua kiểu hệ thống mạng truyền thông để thực trình xử lý phức tạp Tín hiệu vào Mức độ thông minh hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào khả PLC để đọc liệu khác từ cảm biến thiết bị nhập tay Tiêu biểu cho thiết bị nhập tay như: nút ấn, bàn phím chuyển mạch Mặt khác, để đo, kiểm tra chuyển động, áp suất, lưu lượng chất lỏng , PLC phải nhận tín hiệu từ cảm biến Ví dụ: tiếp điểm hành trình, cảm biến quang điện, tín hiệu đưa vào PLC tín hiệu số (digital) tín hiệu tương tự (analog), tín hiệu giao tiếp với PLC thông qua modul nhận tín hiệu vào khác khác DI (Digital Input) AI (Analog Input), Đối tượng điều khiển Một hệ thống điều khiển ý nghĩa thực tế không giao tiếp với thiết bị ngoài, thiết bị thông dụng như: môtơ, van, rơle, đèn báo, chuông điện, giống thiết bị vào, thiết bị nối đến cổng modul (output) Các modul DO (Digital Output) AO (ra tương tự) Nguyên lý làm việc CPU điều khiển hoạt động bên PLC Bộ xử lý đọc kiểm tra chương trình chứa nhớ, sau thực thứ tự lệnh chương trình, đóng hay ngắt đầu Các trạng thái ngõ phát tới thiết bị liên kết 3/9 Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC để thực thi Và toàn hoạt động thực thi phụ thuộc vào chương trình điều khiển giữ nhớ PLC thực chất chạy mã máy với hệ thống số nhị phân, tốc độ quét vòng chương trình đạt đến vài phần ngàn giây, Software dùng để lập trình PLC tích hợp phần biên dịch Các dòng lệnh lập trình đưa từ chương trình vào trình biên dịch chuyển đổi sang mã máy ghi bit “0” hay bit “1” lên vào vị trí có địa quy ước trước PLC lên PC thực thi xảy ngược lại trình biên dịch làm xong nhiệm vụ trước trả chương trình lên Monitor Hệ thống Bus tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song: - Address Bus: Bus địa dùng để truyền địa đến Modul khác - Data Bus: Bus dùng để truyền liệu - Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền tín hiệu định điều khiển đồng hoạt động PLC Trong PLC số liệu trao đổi vi xử lý modul vào thông qua Data Bus Address Bus Data Bus gồm đường, thời điểm cho phép truyền bit byte cách đồng thời hay song song Nếu modul đầu vào nhận địa Address Bus, chuyển tất trạng thái đầu vào vào Data Bus Nếu địa byte đầu xuất Address Bus, modul đầu tương ứng nhận liệu từ Data bus Control Bus chuyển tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động PLC Các địa số liệu chuyển lên Bus tương ứng thời gian hạn chế Hệ thống Bus làm nhiệm vụ trao đổi thông tin CPU, nhớ I/O Bên cạch đó, CPU cung cấp xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ Xung định tốc độ hoạt động PLC cung cấp yếu tố địnhthời, đồng hồ hệ thống * Vòng quét chương trình: PLC thực công việc (bao gồm chương trình điều khiển) theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp gọi vòng quét (scancycle) Mỗi vòng quét bắt đàu việc chuyển liệu từ cổng vào số tới vùng đệm ảo I, giai đoạn thực chương trình Trong vòng quét, chương trình thực từ lệnh đến lệnh kết thúc khối OB1 4/9 Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC Sau giai đoạn thực chương trình giai đoạn chuyển nội dung đệm ảo Q tới cổng số Vòng quét kết thúc giai đoạn xử lý yêu cầu truyền thông (nếu có) kiểm tra trạng thái CPU Mỗi vòng quét mô tả sau: Chú ý: Bộ đệm I Q không liên quan tới cổng vào/ra tương tự nên lệnh truy nhập cổng tương tự thực trực tiếp với cổng vật lý không thông qua đệm Thời gian cần thiết PLC thực vòng quét gọi thời gian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định, tức vòng quét thực khoảng thời gian Có vòng quét thực lâu, có vòng quét thực nhanh tuỳthuộc vào số lệnh chương trình thực hiện, vào khối lượng liệu truyền thông Trong vòng quét Như việc đọc liệu từ đối tượngđể xử lý, tính toán việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng có khoảngthời gian trễ thời gian vòng quét Nói cách khác, thời gian vòng quét định tính thời gian thực chương trình điều khiển PLC Thời gian vòng quét ngắn, tính thời gian thực chương trình cao Nếu sử dụng khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ khối OB40, OB80, Chương trình khối thực vòng quét xuất tín hiệu báo ngắt chủng loại Các khối chương trình thực vòng quét bị gò ép phải giai đoạn thực chương trình Chẳng hạn tín hiệu báo ngẵt xuất PLC giai đoạn truyền thông kiểm tra nội bộ, PLC tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra, để thực ngắt vậy, thời gian vòng quét lớn có nhiều tín hiệu ngắt xuất vòng quét Do để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển, tuyệt đối không nênviết chương trình xử lý ngắt dài lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt chương trình điều khiển 5/9 Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC Tại thời điểm thực lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào/ra mà thông qua nhớ đệm cổng vùng nhớ tham số Việc truyền thông đêm ảo với ngoại vi giai đoạn hệ điều hành CPU quản lý Ở số modul CPU, gặp lệnh vào/ra hệ thống cho dừng công việc khác, chương trình xử lý ngắt, để thực với cổng vào/ra Ưu nhược điểm PLC công nghiệp Đặc điểm hệ thống điều khiển dùng Rơle - Tốn nhiều dây dẫn - Thay phức tạp - Cần công nhân sửa chữa tay nghề cao - Công suất tiêu thụ lớn - Thời gian sửa chữa lâu - Khó cập nhật sơ đồ nên gây khó khăn cho công tác bảo trì thay Tóm lại: Ở hệ thống relay cũ để điều khiển đóng ngắt thiết bị sau thực thi tác vụ theo khoảng thời gian xác định, hay dùng Timer Controller, đếm kiện, sản phẩm,… dùng Counter Controller số khí hay hiển thị Led đoạn, LCD… giá trị cài đặt thao tác controller này, vấn đề bắt đầu phức tạp dần hệ thống cần nhiều timer hay counter riêng lẻ phải phối hợp có hệ thống tác vụ liên tục tính lặp lại, lúc tủ điều khiển ta bắt đầu tải số lượng controller, dây nối điều khiển, cable nguồn bắt đầu tăng lên hệ thống cần thay đổi tham số trình điều khiển tốn nhiều công sức để thiết lập Timer hay Counter Quá phức tạp Chúng ta chưa tính đến khả lão hoá thiết bị, tính xác từ từ theo thời gian, chưa tính đến khả hư hỏng tức thời số lượng thiết bị tiều tốn nhiều tiền chi cho việc chuẩn đoán thay chưa tính đến số thời gian vô ích ngừng hệ thống không vận hành sản xuất được, có lẽ kiện nêu hoàn toàn với công thức: “Xác suất số lần hỏng hóc tăng tỷ lệ thuận với tổng số thiết bị có tham gia trình điều khiển” 6/9 Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC Đặc điểm hệ thống điều khiển dùng PLC Sự đời hệ điều khiển PLC làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển quan niệm thiết kế chúng, hệ điều khiển dùng PLC có nhiều ưu điểm sau: - Giảm 80% số lượng dây nối - Công suất tiêu thụ PLC thấp - Có chức tự chuẩn đoán giúp cho công tác sửa chữa nhanh chóng dễ dàng - Chức điều khiển thay đổi dễ dàng thiết bị lập trình (máy tính, hình) mà không cần thay đổi phần cứng yêu cầu thêm bớt thiết bị vào, - Số lượng rơle timer nhiều so với hệ điều khiển cổ điển - Số lượng tiếp điểm chương trình sử dụng không hạn chế - Thời gian hoàn thành chu trình điều khiển nhanh (vài ms) dẫn đến tăng cao tốc độ sản xuất - Chương trình điều khiển in giấy vài phút giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì sửa chữa hệ thống - Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học - Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa - Dung lượng nhớ lớn để chứa chương trình phức tạp - Hoàn toàn tin cậy môi trường công nghiệp - Giao tiếp với thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, Modul mở rộng - Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ - Giá cạnh tranh Đặc trưng PLC khả lập trình được, số IP dải quy định cho phép PLC hoạt động môi trường khắc nghiệt công nghiệp, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng thấp, thay hiệu chỉnh chương trình dễ dàng, khả nâng cấp thiết bị ngoại vi hay mở rộng số lượng đầu vào nhập đầu xuất 7/9 Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC đáp ứng tuỳ nghi khả xem tiêu chí cho nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trung tâm cho hệ thống hoạt động tự động Ứng dụng PLC công nghiệp Từ ưu điểm nêu trên, PLC ứng dụng nhiều lĩnh vực khác công nghiệp như: - Hệ thống nâng vận chuyển - Dây chuyền đóng gói - Các robot lắp giáp sản phẩm - Điều khiển bơm - Dây chuyền xử lý hoá học - Công nghệ sản xuất giấy - Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh - Sản xuất xi măng - Công nghệ chế biến thực phẩm - Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn - Dây chuyền lắp giáp Tivi - Điều khiển hệ thống đèn giao thông - Quản lý tự động bãi đậu xe - Hệ thống báo động - Dây chuyền may công nghiệp - Điều khiển thang máy - Dây chuyền sản xuất xe ôtô - Sản xuất vi mạch 8/9 Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC - Kiểm tra trình sản xuất 9/9 ... lý ngắt dài lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt chương trình điều khiển 5/9 Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC Tại thời điểm thực lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào/ra... biến, nối với đầu vào thiết bị PLC Các phần tử chấp hành như: đèn báo, rơ le, công tắc tơ, nối đến lối PLC đầu nối 2/9 Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC Chương trình điều khiển PLC soạn thảo dạng... khiển” 6/9 Cấu trúc nguyên lý làm việc PLC Đặc điểm hệ thống điều khiển dùng PLC Sự đời hệ điều khiển PLC làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển quan niệm thiết kế chúng, hệ điều khiển dùng PLC có